MK1080無(wú)心磨床砂輪主軸有限元分析
2019-09-20 雷蔓1,2 蔣道順2 呂健1
(1.貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 貴陽(yáng),550003;2.貴陽(yáng)險(xiǎn)峰機(jī)床有限責(zé)任公司,貴州惠水 550601)
摘 要:介紹了無(wú)心磨床MK1080砂輪主軸的結(jié)構(gòu),對(duì)砂輪主軸簡(jiǎn)化后,通過(guò)ANSYS workbench 12.0對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、模態(tài)分析,驗(yàn)證了MK1080砂輪主軸設(shè)計(jì)的合理性,找出了該砂輪主軸的薄弱環(huán)節(jié)并修改其結(jié)構(gòu),使其在剛度指標(biāo)上達(dá)到。
0 引言
MK1080型數(shù)控?zé)o心磨床是險(xiǎn)峰機(jī)床廠根據(jù)多年無(wú)心磨床的制造經(jīng)驗(yàn),自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一款高效數(shù)控?zé)o心磨床,該機(jī)床能夠磨削圓柱體、圓錐體以及成型旋轉(zhuǎn)體等零件,用于批量生產(chǎn)。磨床精度要達(dá)到Ⅲ~Ⅳ級(jí),表面粗糙度要達(dá)到Ra0.16,能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切入循環(huán)磨削,砂輪具有自動(dòng)修整功能。
砂輪主軸是MK1080型數(shù)控?zé)o心磨床的關(guān)鍵零件,其強(qiáng)度、剛度、模態(tài)直接影響到加工精度。普通的計(jì)算方法難以驗(yàn)證砂輪主軸的結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,而通過(guò)有限元技術(shù),可以輕易獲得砂輪主軸強(qiáng)度、剛度、模態(tài)參數(shù),為主軸設(shè)計(jì)提供參考。
1、砂輪主軸的結(jié)構(gòu)
砂輪主軸與主軸箱采用高精度滾動(dòng)軸承支撐,該軸承系具有良好的剛性,可保證砂輪主軸在高速下平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn),結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

砂輪夾盤(pán)及皮帶輪以錐體(1∶5)配合于主軸上,均用左旋螺母緊固,以防止由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣性而松動(dòng)。皮帶輪通過(guò)滾動(dòng)軸承固定在卸荷裝置上,避免皮帶預(yù)緊力作用在主軸上。該主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。
2、砂輪主軸有限元分析
2.1 砂輪主軸分析
該主軸材料為40CrNiMoA,主軸雖然轉(zhuǎn)速高,但是啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),而且靜力平衡下應(yīng)力只有8 MPa,所以分析時(shí)未考慮扭矩和疲勞破壞。
皮帶輪固定在卸荷裝置上,皮帶預(yù)緊力沒(méi)有傳遞到主軸,所以忽略皮帶輪重量及皮帶預(yù)緊力。這樣施加在砂輪主軸上的主動(dòng)力有砂輪及夾盤(pán)的總重力和砂輪磨削時(shí)工件對(duì)主軸的作用力,而這些力是可以合成一個(gè)徑向作用力的。
砂輪磨削時(shí),砂輪上單個(gè)磨粒的切削厚度雖然很小,但大量的磨粒同時(shí)對(duì)被磨金屬層進(jìn)行擠壓、刻劃和滑擦,加上磨粒的工作角度很不規(guī)則,因此總的磨削力很大。
為便于測(cè)量和計(jì)算,將總磨削力分解為3 個(gè)相互垂直的分力Fx(軸向磨削力)、Fy (徑向磨削力)、Fz(切向磨削力),如圖2所示。
徑向磨削力Fy,這是因?yàn)槟チ5娜欣獯蠖家载?fù)前角工作,而且刃棱鈍化后,形成小的棱面增大了與工件的實(shí)際接觸面積,從而使Fy 增大。通常Fy=(1.6~3.2)×Fz。
軸向磨削力Fx 很小,一般可以不必考慮。磨削力隨不同的磨削階段而變化。在初磨階段,磨削力由小到大變化幅度較大,進(jìn)入穩(wěn)定階段,工藝系統(tǒng)的彈性變形達(dá)到一定程度,此時(shí)磨削力較為穩(wěn)定,光磨階段實(shí)際磨削深度近趨于零,此時(shí)磨削力漸小。磨削力的計(jì)算公式如下:
式中:Fz、Fy 分別為切向和徑向磨削力,N;vw、v 分別為工件和砂輪的速度,m/s;fr 徑向進(jìn)給量,mm;B 為磨削寬度,mm;α 為假設(shè)磨粒為圓錐時(shí)的錐頂半角;CF 為切除單位體積的切屑所需的能,kJ/mm2;μ 為工件和砂輪間的摩擦因數(shù)。
根據(jù)式(1)和式(2),再計(jì)算出砂輪及夾盤(pán)的重力,合成以后,可以得到磨削時(shí)砂輪主軸上所受的徑向力。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算、實(shí)際加工測(cè)量和積累的經(jīng)驗(yàn),這里取總的徑向力為2 000 N,施加于圖1 所示的主軸右端錐面上。
軸承支撐采用滾動(dòng)軸承,因?yàn)椴豢紤]疲勞破壞,所以在軸承支撐處及圖1 所示的主軸左端錐面皮帶輪扭矩傳輸斜面處施加固定約束。
2.2 有限元分析結(jié)果
從圖3 可以看出,加載2 000N 時(shí)變形為0.001mm,發(fā)生在砂輪支撐端端面處。砂輪支撐錐面中位處變形為0.5~0.6 μm。
從圖4 軸模態(tài)分析中可以看到,一階模態(tài)為頻率1 703.5 Hz,如果考慮砂輪及砂輪夾盤(pán)與主軸的剛性連接,分析出的一階模態(tài)為287.5 Hz ,而主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,引起的振動(dòng)頻率為50 Hz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主軸的一階模態(tài)頻率,所以砂輪主軸是不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象的。圖5 是應(yīng)力分析結(jié)果,可以看到應(yīng)力為8 MPa,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力。
通過(guò)以上對(duì)砂輪主軸剛度、模態(tài)、強(qiáng)度的分析,可以得知,該主軸在強(qiáng)度、振動(dòng)性能方面滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。而在剛度方面不是很理想,最后通過(guò)增加砂輪主軸砂輪夾盤(pán)錐面處的厚度使問(wèn)題得到了解決。
3 、結(jié)語(yǔ)
在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中,采用有限元方法的理論與技術(shù)對(duì)零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等分析,有助于提供零部件的可靠性,并可提高設(shè)計(jì)效率,減少設(shè)計(jì)成本。
本次研究以無(wú)心磨床MK1080 的關(guān)鍵零件砂輪主軸為例,對(duì)簡(jiǎn)化后的模型有限元分析,結(jié)果與機(jī)床最后的測(cè)試參數(shù)基本吻合。但對(duì)模型的簡(jiǎn)化也可能存在不足,還需進(jìn)一步研究有限元分析理論與技術(shù),更好地為機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造服務(wù)。
來(lái)源:《機(jī)械工程師》2015年第1期